⚡Motor

Spherical motor

1. History of the spherical motor

2. Spherical brushless direct current motor [SBLDC]

Introduction video

Application

What is the SBLDC?

The SWM is among the most actively researched multi-DOF actuators today. However, this motor is still not commonly seen in our daily lives. In our laboratory, we identify redundant current inputs and low torque density as barriers to the practical application of the SWM.
SWM은 현재 가장 활발하게 연구 중인 다자유도 전동기 중 하나입니다. 그러나 아직까지 이 모터를 우리 일상에서 쉽게 볼 수 없습니다. 우리 연구실에서는 SWM 실용화의 걸림돌을 전류입력의 중복성 (redundant current inputs) 과 낮은 토크 밀도로 보고 있습니다.
What is the SWM?
- The structural feature of the spherical wheel motor lies in its rotor, which consists of multiple layers of permanent magnets shaped into a sphere, and its stator, made up of multiple layers of electromagnets.
  Spherical wheel motor의 구조적 특징은 복수의 영구자석 층으로 이루어진 구체형 회전자와 복수의 전자석 층으로 이루어진 고정자에 있습니다.
- Depending on the combination of currents fed into the multiple electromagnets, the stator controls a magnetic field. This interacts with the magnetic field produced by the permanent magnets in the rotor, resulting in a 3-dimensional torque. The torque characteristics can vary depending on the combination of current inputs, rotor position, the number of electromagnets and permanent magnets, and etc. In particular, the torque model, which is based on the current input and rotor posture, is a key to the design of the SWM controller.
  복수의 전자석들에 입력되는 전류의 조합에 따라서 고정자는 자기장을 발생시키고, 회전자의 영구자석이 만들어내는 자기장과 상호작용하여 3차원 토크가 생성됩니다. 전류입력의 조합, 회전자의 자세, 전자석 및 영구자석의 갯수 등에 따라 토크 특성이 변할 수 있으며, 특히 전류입력과 회전자 자세에 따른 토크 모델은 SWM 제어기 설계의 핵심입니다.
- The SWM began development in the mid-2000s. It is now capable of precise attitude control, and is being applied to various applications such as gimbal systems, multi-DOF printing, and robotic joints. Continuous research is being conducted for its commercialization.
  SWM은 2000년대 중반부터 개발되어 현재는 정밀한 자세제어가 가능하여 짐벌 시스템, 다자유도 프린팅, 로봇 관절 등 다양한 어플리케이션들에 적용되어 꾸준히 상용화를 위한 연구가 진행되고 있습니다.
The stator of the SWM is designed for the electromagnets to receive independent inputs, which inevitably leads to redundancy. This redundancy not only complicates the torque model but, as shown in the photo below, can result in situations where the driver becomes larger than the motor itself.
SWM의 고정자는 전자석들이 독립적으로 입력을 받도록 설계 되었으며, 이에 따라 입력의 중복성은 불가피합니다. 이러한 중복성은 토크모델을 복잡하게 할 뿐만 아니라 아래의 사진과 같이 모터보다 드라이버가 더 커지는 상황이 발생 할 수도 있습니다.
Consequently, in our laboratory, we have developed the Spherical Brushless Direct Current Motor (SBLDC) controlled by three-phase inputs. Unlike the SWM, the electromagnets in the stator of the SBLDC utilize the winding scheme of conventional BLDCs, providing a groundbreaking solution to the redundant input problem of the SWM. Furthermore, it can be controlled using existing BLDC drivers, which is advantageous for commercialization.
따라서, 우리 실험실에서는 3상 입력에 의해 제어되는 Spherical Brushless Direct Current Motor (SBLDC)를 개발하였습니다. SBLDC는 SWM과 다르게 고정자의 전자석들이 기존 BLDC의 권선도를 그대로 활용하여, SWM의 입력 중복 문제를 획기적으로 해결할 수 있습니다. 뿐만 아니라, 상용 BLDC 드라이버로도 제어가 가능하여, 상용화에 있어 유리합니다.
However, this research is just in its initial stages, and fundamental studies on the motor itself, such as shape optimization, orientation sensors, and fault diagnostics and tolerant control, are still needed. Additionally, we are designing and constructing various prototypes for applications like in-wheel drive and steering in automobiles, vector thrust in rotary-wing aircraft, robotic joints, and 3-DOF docking systems.
하지만, 해당 연구는 이제 막 시작한 단계로 형상 최적화, 자세 센서 및 고장 진단 및 대응 등 모터 자체에 대한 기초 연구들이 추가로 필요합니다. 더불어, 자동차의 In-wheel drive and steer, 회전익기의 vector thrust, 로봇 관절 및 3 자유도 도킹 시스템 등 다양한 어플리케이션에 적용하기 위해 다른 프로토타입들을 설계 및 제작하고 있습니다.

Magnetic source modeling

These models assist us in developing our unique electromechanical systems such as magnetic induction tomography(2022) and spherical BLDC motor(2024). The following content will provide insight into our vision for this research.

Moment Method based Distributed Multipoles (MMDMP) (2022)
Extended-Distributed Multipoles (e-DMP) (2011)
Distributed Multipoles (DMP) (2007)

Our laboratory is addressing these issues by developing magnetic material analysis models that can analyze magnetic phenomena quickly and accurately with significantly fewer computational resources than traditional FEM.